Vliv provozních podmínek na spalování rostlinných olejů ve stávajících vznětových motorech a na výfukové emise

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ Katedra vozidel a motorů

Vliv provozních podmínek na spalování rostlinných olejů ve stávajících vznětových motorech a na výfukové emise (The effect of operating conditions on the combustion of nonesterified plant oils in existing diesel engines and on the emissions)

Teze doktorské disertační práce

Michal Vojtíšek Program a obor studia: Strojní inženýrství – Konstrukce strojů a zařízení – Pístové spalovací motory Školitel: Doc. Ing. Josef Laurin, CSc.

září 2009

Slovo úvodem... Rostlinné oleje, získávané z různých plodin po celém světě, se stávají jedním z „alternativních“ paliv pro vznětové motory. Ty jsou hnací silou většiny mobilních strojů a těžších dopravních prostředků. Zároveň s tím jsou však i jedním z hlavních zdrojů znečištění ovzduší. Hlavním cílem této práce bylo posoudit, jaký vliv má spalování rostlinných olejů v motorech na výfukové emise. S přibývajícím počtem měření však bylo zjištěno, že odpověď na tuto otázku nelze uspokojivě vyjádřit jedním číslem. O tom proč tomu tak je, a jaké faktory mají vliv na emise z motorů poháněných rostlinnými oleji, pojednává tato práce. Protože emise vznikají spalováním paliva, a protože se jedná o doktorskou práci v oboru pístové spalovací motory, klíčovou součástí práce je experimentální výzkum spalování rostlinných olejů převážně v traktorovém motoru Zetor, provedený na katedře autora. Tato měření jsou doplněna o měření emisí, která proběhla částečně během zmíněných experimentálních prací, částečně během autorova působení v USA. Některá tato měření jsou provedena unikátními aparaturami za reálného provozu vozidla. Vývoj zařízení a metodiky pro měření emisí za reálného provozu, který je dřívějším dílem autora, není však hlavní náplní této práce, a je popsán pouze do míry potřebné k porozumění výsledků. Kolik rostlinného oleje je reálně k dispozici a za jakou cenu, kolik energie je třeba na výrobu rostlinného oleje, jaké dopady má výroba a využití rostlinných olejů na ekonomiku, krajinu, kvalitu ovzduší, bilanci emisí skleníkových plynů, místní a regionální ekonomiku, jaké množství paliva je třeba pro zachování mobility v udržitelné regionální ekonomice, a další otázky jsou v práci zmíněny, protože jsou důležité pro praktické využití paliva. Odpovědi na ně jsou však rozdílné a nejednoznačné, a jejich podrobná diskuze přesahuje rámec této práce. Klíčová slova: vznětové motory, alternativní paliva, obnovitelné zdroje energie, biopaliva, rostlinný olej, řepkový olej, spalování, počátek hoření, průtah vznícení, výfukové emise, kvalita ovzduší, jemné pevné částice, nanočástice, organické látky, provozní podmínky, různopalivový systém Keywords: diesel engines, alternative fuels, renewable energy, biofuels, vegetable oils, plant oils, nonesterified plant oils, rapeseed oil, combustion, start of combustion, ignition delay, injection timing, exhaust emissions, non-regulated emissions, air quality, fine particulate matter, nanoparticles, operating conditions, dual-fuel system

2

Michal Vojtíšek: Spalování rostlinného oleje ve vznětových motorech. Teze doktorské disertační práce.

Souhrn Práce se zabývá vlivem provozu a provozních podmínek vznětových motorů na rostlinné oleje na průběh hoření a na výfukové emise. Práce uvažuje stávající vznětové motory bez konstrukčních úprav, dovybavené sekundárním palivovým systémem s přepínáním paliv (různopalivový systém), který je vyhřívaný chladicí kapalinou. Motory jsou startovány a ohřáty na naftu, poté provozovány na ohřátý rostlinný olej, a před odstavením přepnuty zpět na naftu. Klíčová část práce je založena na měřeních na čtyřválcovém přeplňovaném traktorovém motoru Zetor 1505 s řadovým mechanicky řízeným vstřikovacím čerpadlem. Další měření byla provedena v laboratoři na silničním motoru Avia, a na několika osobních vozidlech Volkswagen a jednom nákladním vozidle Ford. V motorech Zetor a Avia byl použit řepkový olej palivové kvality, v ostatních motorech pak převážně filtrovaný, dekantovaný použitý fritovací olej. U motoru Zetor výkon poklesl cca o 10%, u motoru Avia se výkon mírně zvýšil. U ostatních motorů nebyl výkon motoru sledován. Celková účinnost motoru zůstala bez výrazných změn. Z měření na motorech Zetor a Avia vyplývá, že při provozu při nízkých otáčkách a zatíženích dochází ke vznícení řepkového oleje až o jednotky stupňů pootočení klikového hřídele později ve srovnání s naftou; s průběhem provozu na volnoběh se toto zpoždění dále zvyšuje. Vyšší zpoždění bylo pozorováno i při provozu na studený olej (do 50-55 °C). V ostatních režimech docházelo ke vznícení ve srovnatelnou dobu (Avia) nebo o desetiny stupně dříve (Zetor). Při nízkých otáčkách a zatíženích byly výrazně (až o řád) vyšší emise PM a HC a vyšší emise CO, emise NOx pak byly o nízké desítky procent nižší. Při středních a vyšších otáčkách a zatíženích byly na motorech Zetor a Avia výrazně nižší emise HC, CO a PM; na ostatních motorech pak nižší emise PM, vliv na emise HC a CO nebyl měřen nebo byl nejednoznačný. Emise NOx byly při středních a vyšších otáčkách a zatíženích vyšší na motoru Zetor s klasickým řadovým vstřikovacím čerpadlem, nižší na motorech Avia a Volkswagen s rotačními vstřikovacími čerpadly, a nižší na motoru Ford s jednotkovými vstřikovači. Lze se domnívat, že k vlivu na emise NOx významně přispívají rozdíly v počátku vstřiku paliva vlivem odlišné dynamiky rostlinného oleje v palivovém systému. Emise byly silně ovlivněny předchozími režimy, zejména emise částic, kde ustáleného stavu nebylo často dosaženo ani po deseti minutách. Měření velikostních spekter částic na motoru Zetor potvrzují výrazně vyšší zastoupení částic o velikosti řádově desítek nm při nižších otáčkách a při nižších a středních otáčkách a nízkých zatíženích. Při středních a vyšších otáčkách a vyšších zatíženích byly koncentrace částic všech velikostí nižší. Měření neregulovaných plynných emisí spektrometrem FTIR poukázala na vyšší podíl NO2 v NOx, a relativně vyšší zastoupení formaldehydu a etylenu v organických látkách. Měřením účinnosti oxidačního katalyzátoru na automobilech Volkswagen byla zjištěna vyšší účinnost oxidačního katalyzátoru při likvidaci částic (20-30%) ve srovnání s naftou (10-20%). Lze se domnívat, že režimy s neúměrně vyššími emisemi PM a HC vedou též k neúměrně vyšší míře pronikání rostlinného oleje do motorového mazacího oleje a k neúměrně vyšší tvorbě úsad ve spalovacím prostoru a výfukovém systému. Ošetřením těchto režimů by se pak výrazně snížily nejen emise, ale i tvorba úsad a degradace mazacího oleje. Celkově z výsledků vyplývá silné rozdělení vlivu rostlinného oleje jako paliva na hoření a emise podle otáček a zatížení motoru. Při posuzování vlivu rostlinného oleje na emise nebo při posuzování vhodnosti provozu daného motoru v dané aplikaci na rostlinný olej je tedy třeba uvážit charakter motoru a provozních podmínek konkrétních vozidel nebo strojů. Vzhledem k nutnosti startovat a zahřívat motor na naftu a vzhledem k problematickému spalování i emisím při nízkých otáčkách a zatíženích nelze, bez vhodného ošetření, rostlinné oleje doporučit pro motory často startované a provozované v nízkých zatíženích. Relativně méně problematické, a z hlediska emisí výhodné, se pak jeví dlouhodobý provoz při středních až vyšších zatíženích. Rostlinný olej má velmi příznivou energetickou bilanci a lze jej získat z místních obnovitelných zdrojů; ačkoliv nenahradí současnou spotřebu ropy, může hrát významnou roli v systému udržitelné dopravy a energetiky. Podrobnější rozbor širších souvislostí je však nad rámec této práce.


3

Summary The effect of operating conditions on the combustion of non-esterified plant oils in existing diesel engines and on the emissions The focus of the Ph.D. thesis is the combustion of vegetable oils in existing diesel engines, with the focus on the effect of the engine operating conditions on the combustion process and on the emissions. This work considers existing diesel engines without internal modifications and preferrably with no changes to engine adjustments, retrofitted with a dualfuel system, where vegetable oil is heated by the engine coolant. The engine is started and warmed up on diesel fuel, and switched back to diesel fuel prior to shutdown. The work builds heavily on experimental work on a Zetor 1505 four-cylinder turbocharged tractor engine of Czech provenience. Additional measurements were carried on an Avia truck engine of Czech provenience, on several Volkswagen automobiles and one Ford F-350 pickup truck. Zetor and Avia engines were powered by fuel-grade virgin rapeseed oil, vehicles were powered by filtered and decanted used frying oil. The power has decreased by 10% on the Zetor engine, while increasing slightly on the Avia engine. For all engines, thermal efficiencies were comparable to diesel fuel operation. The start of the combustion (SOC) was delayed by about two crankshaft degrees at regular and fast idle, further increasing during a prolonged idle and with low fuel temperatures (below about 50-55 °C). At moderate and high rpm and loads the SOC was comparable on the Avia engine and advanced by fraction of a degree on the Zetor engine. At low rpm and loads, emissions of HC and PM increased by up to an order of magnitude, CO emissions have also increased, and NOx emissions decreased by tens of percents. At moderate and high rpm and loads, emissions of PM, HC and CO have decreased substantially on the Zetor engine, PM emissions have also decreased on all other engines, while the effects of CO varied. Also at higher rpm and loads, NOx emissions increased on the Zetor engine, and decreased on Avia, Volkswagen and Ford engines. It is believed that NOx increase is correlated with advance in injection timing due to different dynamics of vegetable oils in the injection system. The emissions of PM were heavily influenced by prior regimes, and often have not become stable even after ten minutes. PM size distribution measurements on the Zetor engine revealed substantially higher concentrations of smaller particles (tens of nm) at low rpm and loads, at full loads, concentrations decreased for all size bins. Overall, particles were smaller compared to diesel operation. Measurement of unregulated gaseous emissions with an FTIR spectrometer revealed higher fraction of NO2 in NOx, and higher concentrations of formaldehyde and ethylene, aromatics and acrolein were not detected. The PM removal efficiency of a diesel oxidation catalyst on a Volkswagen engine was higher (20-30%) compared to diesel (10-20%). Diesel particulate filter regenerated at comparable temperatures when loaded at moderate loads, and at lower temperatures when loaded at idle. It is believed that the operating regimes with disproportionately high HC and PM emissions also lead to higher rates of penetration of vegetable oil into the crankcase, leading to a degradation of lubricating oil, and higher rates of deposit formation within the engine. Addressing or avoiding idle and low-load operation is therefore deemed critical to successful long-term engine operation. The effects of vegetable oil on combustion and emissions are strongly bifurcated, with low rpm, low load operation being problematic. The operating conditions must therefore be considered when evaluating effects of vegetable oil on emissions or when considering using vegetable oil in a particular application. Given the need to start and warm up the engine on ordinary fuel, vegetable oil seems to be less suitable for urban traffic and short trips, and more suitable for engines experiencing long periods of sustained load. Vegetable oils have a favorable positive energy balance and can be obtained from local renewable resources. While they cannot replace diesel fuel at today’s consumption rates, they can play an important role in a sustainable transportation system. Detailed discussion of a broader aspects extends many disciplines and is, however, beyond the scope of this work.

4


Úvod Moderní společnost, kultura a ekonomika je ve své současné podobě téměř odkázána na pístové spalovací motory pohánějící dopravní prostředky pro dopravu osob i zboží a různé motorizované stroje. Spalování klasických ropných paliv je však jedním z hlavních zdrojů znečišťování ovzduší škodlivinami a skleníkovými plyny a je vzhledem k omezeným zásobám ropy dlouhodobě neudržitelné. Nahrazení ropných paliv obnovitelnými nebo alespoň dlouhodobými zdroji energie je sice obtížné, ale nutné, pokud si společnost bude chtít zachovat mobilitu pro budoucí generace. Lze očekávat, že vznětové motory, poháněné kapalnými palivy, pravděpodobně zůstanou nadále jednou z nejrozšířenějších pohonných jednotek pro svou vysokou účinnost, spolehlivost, hospodárnost provozu, a zvládnutou konstrukci. Kapalná paliva pak mají vysokou výhřevnost, lze je snadno skladovat a čerpat. Jedním z potenciálně perspektivních motorových paliv jsou rostlinné oleje. Rostlinné oleje jsou směsi triglyceridů mastných kyselin, převážně s 16 a 18 atomy uhlíku a jednou nebo dvěma dvojnými vazbami [1]. Oproti naftě mají mírně vyšší hustotu, mírně nižší výhřevnost, o řád vyšší viskozitu, výrazně vyšší bod tání, výrazně vyšší teplotu vzplanutí, a výrazně nižší oxidační stabilitu. Jsou to kyslíkatá paliva, s obsahem kyslíku přibližně jedné devítiny hmotnosti. Jsou nesnadno zápalné, netvoří výbušné páry, nejsou toxické, a jsou snadno biologicky odbouratelné [2,3]. Z hlediska zdravotních, požárních a environmentálních rizik tedy patří mezi nejbezpečnější paliva. Jejich příprava je technicky i energeticky relativně nenáročná, v základě stačí olej vylisovat a přefiltrovat. V ideálním případě by tedy mohly být palivem, které si lidé budou moci zakoupit od místního zemědělce. Rostlinné oleje sloužily jako palivo pro první vznětové motory [3], byly však nahrazeny levnější ropnou naftou, snahy o širší využití pak přicházely koncem 70. a začátkem 80. let v době ropné krize. Spalování olejů však bylo tehdy problematické, motory a palivové soustavy se často zanášely úsadami, což často vedlo k úplnému zničení vstřikovacího čerpadla nebo i vlastního motoru [4]. Vznik úsad je produktem postupné degradace a polymerizace paliva, kterou vznikají velmi viskózní oligomery [5]. Ty pak ulpívají na povrchu součástí vstřikovacího čerpadla a ve vstřikovačích [6]. K degradaci přispívá i snadná biologická rozložitelnost paliva, které je kvalitnější živnou půdou pro různé mikroorganismy než ropná nafta. Vyšší viskozita paliva znesnadňuje chod vstřikovacího čerpadla a vede k méně dokonalému rozprášení paliva ve válci, což vede k méně dokonalému spálení paliva. Neúplně spálené palivo se pak dostává do motorového oleje, odchází výfukem jako emise organických látek, a usazuje se ve formě spečenin ve válci. Vlivem vyšších teplot pak dochází k postupné polymerizaci a oxidaci rostlinného oleje v motorovém oleji, čímž vzrůstá viskozita oleje, snižují se jeho mazací schopnosti, a úsadami se zanášejí vnitřní části motoru. Ve spalovacím prostoru pak dochází k ukládání vysokomolekulárních látek na povrchu pístu a pístních kroužcích, což může vést až k zadření motoru [4,6,7]. Výrazně lepších výsledků lze dosáhnout úpravou motoru instalací dvojpalivového systému, kde je do vstřikovacího čerpadla přiváděna buď klasická nafta, nebo rostlinný olej, ohřátý na teplotu 50-90ºC, buď elektrickým ohřívačem, nebo odpadním teplem odebraným z chladicí kapaliny motoru. U dokonalejších systémů je vyhříván celý palivový systém, včetně nádrže, potrubí, filtrů, a přepínacích ventilů [8-10]. Motor je nastartován a provozován do dosažení provozní teploty na ropnou naftu, poté je poháněn rostlinným olejem až do předepsané doby před jeho odstavením, kdy je přepnut zpět na naftu, aby se předešlo zatuhnutí nebo degradaci rostlinného oleje ve vstřikovacím systému v době nečinnosti motoru. Takovýto provoz doporučuje většina pramenů [3,11-14]. V Evropě se dnes využívá především řepkový olej palivové kvality, jehož požadované parametry byly stanoveny v dokumentu označovaném za "Weissenstephan standard" [15], z něhož vychází průmyslová norma E DIN V 51605 a v roce 2007 i česká norma ČSN 65 6516. Porovnání


5

kritických vlastností nafty, bionafty (metylesterů mastných kyselin, MEMK) a řepkového oleje je v Tabulce 1. Tabulka 1: Porovnání kritických vlastností nafty, bionafty a řepkového oleje Palivo

Ropná nafta

Norma

ČSN EN 590

Bionafta (MEMK) EN 14214

Hustota při 15ºC [kg/m3] 820-845 860-900 Viskozita při 40ºC [mm2/s] 2,0-4,5 3,5-5,0 Bod vznícení [ºC] > 55 > 120 Cetanové číslo > 51 > 51 Skutečné vlastnosti (nepředepsané normou) Výhřevnost (dolní) [MJ/kg] 42-43 Přibližně 37 Obsah kyslíku [hm.%] Zanedbatelný 10-11% Rychlost zvuku [m/s] 1380 1410 [16]

Řepkový olej ČSN 65 6516, DIN 51605 900-930 < 36 > 220 > 39 36-37 10-11% 1470 [17]

Pro pohon motorů se používají i jiné oleje: sójový, slunečnicový, palmový [18,19], kokosový [20], lněný, makový [13], sezamový [21], konopný [13], olej z jatrophy curcus [22], karanji [14], recyklovaný fritovací olej [14,23,24], médii dokonce proběhly i zprávy o tuku odebraném při liposukci [25]. Přehled lze nalézt například v [5,8,14]. Olej je zpravidla ohříván chladicí kapalinou. Doporučovaná teplota je zpravidla nad 60 ºC. Dle některých studií užití vyšších teplot nemá významný účinek [11,13], jiná studie na menších motorech doporučuje teplotu 135 ºC [26]. Při startu a ohřátí motoru je motor provozován na naftu, rovněž tak je třeba před odstavením motoru propláchnout palivový systém naftou. Stacionární motory s nezávislým vyhříváním ale lze i startovat na rostlinný olej [27]. Vyhříváním oleje se sníží jeho viskozita na hodnoty srovnatelné s naftou za nižších teplot [7,9,28], a tím se zlepší i jeho spalování. Startem na naftu se výrazně snižuje tvorba jak úsad vznikajících nedokonalým spalováním paliva ve studeném motoru, tak úsad vznikajících degradací oleje ve vstřikovacím systému při zejména delším odstavení motoru. Při vyhřívání celého přídatného palivového systému je umožněn provoz i v zimě. Ač v řadě průmyslových aplikací je provoz motoru na rostlinné oleje poměrně spolehlivý [29], v mnoha případech stále dochází k tvorbě úsad [18,30]. Zmíněné jevy ovlivňují i emise. Mezi základní sledované látky patří pevné částice (PM), oxidy dusíku (NOx), organické plyny (HC) a oxid uhelnatý (CO), přičemž pro vznětové motory jsou problematické především emise PM a NOx. Vliv provozu motorů na rostlinné oleje však ani zdaleka není jednoznačný, jak napovídají dostupná data. Pro menší automobilové motory provozované v nižších až středních zatíženích byly v porovnání s provozem na naftu emise HC a PM vyšší a emise NOx nižší [24,31], i když u jednoho motoru se systémem Common Rail byly emise NOx vyšší [32]. Podobné trendy byly pozorovány i na menších motorech [26], u malého motoru provozovaného na kokosový olej však byly současně sníženy emise NOx i PM [20]. Další studie uvádí vyšší emise oxidu uhelnatého (CO) a nižší emise HC [12], jiná studie uvádí nižší emise CO při provozu na sezamový olej [21]. Emise HC i PM byly nižší u velkého stacionárního motoru [29]. U motoru středního nákladního automobilu byly při provozu na recyklovaný fritovací olej emise HC a PM vyšší při cyklu simulujícím hustý městský provoz, a nižší při všech ostatních režimech, včetně agresivní rychlé jízdy [24]. Velký rozsah vlivu provozu na rostlinné oleje na emise HC a PM, a v menším rozsahu i NOx, uvádějí i dvě souhrnné zprávy [28,33]. V částicích jsou oproti naftě více zastoupeny organické látky a méně elementární uhlík. Podle jedné studie byla mutagenita částic při provozu

6


na ohřátý i neohřátý rostlinný olej o řád vyšší než při provozu na naftu [34]. Emise polyaromatických uhlovodíků, které jsou považovány za jednu z nejvíce nebezpečných látek, byly však při provozu na rostlinné oleje srovnatelné až výrazně (o 80%) nižší než při provozu na naftu [33]. Cíle práce Cílem této práce bylo zjistit, zda kromě využívání (A) ohřátého oleje (B) palivové kvality v (C) motoru nastartovaném a ohřátém na naftu existují další pravidla, podle kterých lze předpovědět nepříznivý průběh spalování rostlinného oleje, a případně režimy s nepříznivým průběhem spalování vhodným způsobem ošetřit. Toho bylo docíleno základním výzkumem spalování v laboratoři motorů. Dalším cílem práce bylo popsat vliv provozu motoru na rostlinný olej na emise, a to zejména s důrazem na bližší vysvětlení poměrně velkých rozdílů uváděných v literatuře. S tím souvisí i popis a případné ošetření režimů s nepříznivým vývojem emisí. Toho bylo docíleno jak měřením v laboratoři, tak měřeními na několika vozidlech provozovaných na rostlinný olej. Experimentální stanoviště – motor Zetor Výzkum proběhl na motorech Zetor a Avia na brzdových stanovištích a na několika silničních vozidlech. Stanoviště a vybrané výsledky z měření na motoru Zetor jsou popsány zde, ostatní měření pak v doktorské práci. Pro experimentální práce byl použit traktorový motor Zetor 1505, přeplňovaný řadový čtyřválec o zdvihovém objemu 4.16 dm3, vrtání 105 mm, zdvihu 120 mm, maximálním točivém momentu 525 Nm při 1300-1500 min-1, a maximálním výkonu 90 kW při 2200 min-1. Motor byl vybaven mechanicky řízeným řadovým vstřikovacím čerpadlem Motorpal (Jihlava, ČR) s konstantním statickým počátkem vstřiku pro všechny otáčky a zatížení. Motor byl vybaven systémem recirkulace výfukových plynů (EGR). Snímač tlaku paliva Trojcestný ventil - přívod paliva Izolované potrubí

Snímač teploty paliva

Stávající Dopravní Čerpadlo - olej Přídatné čerpadlo - nafta

Filtr nafty

Přídatný výměník - řepk. olej

Trojcestný ventil - přepad paliva

Vyhřívaný filtr řepkového oleje

Obr. 1: Různopalivový systém pro spalování rostlinného oleje. Na motoru byl instalován různopalivový systém využívající trojcestných ventilů, šroubení, a výměníku firmy GreaseCar. V tomto systému chladicí kapalina proudí proti směru toku oleje od


7

výměníku EGR na druhé straně motoru skrz dohřívací výměník, přes výměník kolem palivového filtru (na fotografii ukázán pro názornost bez izolace), a dále přes chladič motorového oleje a zpět do hlavního chladicího okruhu. Pro dopravu řepkového oleje je použito stávající mechanické podávací čerpadlo, pro dopravu nafty je použito přídatné elektrické čerpadlo, jenž umožňuje i případný proplach vstřikovacího čerpadla (avšak nikoli vstřikovačů) při odstaveném motoru. Fotografie tohoto systému doplněná popisky klíčových součástí je na obr. 1. Jako palivo byla použita běžná nafta (dle ČSN EN 590, od čerpací stanice ETK, Liberec, ČR) a řepkový olej palivové kvality (dle DIN V 51605, od firmy FabioProdukt, Holín, okr. Jičín, ČR). Hmotnostní složení oleje bylo dle analýzy [Laurin 2008a] 76,1% C, 15,4% H a 8.5% O, nižší hodnota výhřevnosti byla 36,9 MJ/kg, což je srovnatelné s publikovanými hodnotami (viz. Tab. 1). Motor byl vybaven dvěma dynamickými snímači tlaku ve spalovacím prostoru – nechlazeným piezoelektrickým snímačem GM11 (AVL, Graz, Rakousko) na válci č. 1 a nechlazeným opto-mechanickým snímačem PSI-Glow (Optrand, Michigan, USA) na válci č. 2. Oba snímače byly instalovány místo žhavicích svíček. Pro orientační, kvalitativní snímání tlaku ve vysokotlakém vstřikovacím potrubí válce č. 1 byly použity dva identické nízkonákladové piezoelektrické snímače (CAP-6000, Capelec, Francie), připevněné na vstřikovací potrubí. Jeden snímač byl instalován v blízkosti vstřikovacího čerpadla, druhý v blízkosti vstřikovače, ve vzdálenosti cca 45 cm (měřeno podél potrubí) od sebe. Tyto snímače byly instalovány za účelem časování počátku nárůstu tlaku ve vstřikovacím potrubí. Výstupy ze všech piezoelektrických snímačů byly vedeny do nábojových zesilovačů a odtud do aparatury vysokotlaké indikace (Indimeter, AVL, Rakousko). Výstup z optomechanického snímače tlaku byl napěťový (0-5 V) a byl přiveden přímo do aparatury pro indikaci. Poloha klikového hřídele byla sledována s rozlišením 0,1 stupně inkrementálním snímačem. Tlaky byly snímány s rozlišením 0,2 – 1,0 stupně klikového hřídele (ºKH). V každém režimu bylo naměřeno několik souborů, každý z nichž se sestával ze 150 po sobě následujících pracovních oběhů. Emise byly měřeny standardními laboratorními metodami [35]: HC plamenoionizačním detektorem při 191ºC (Amluk, Německo), CO (Horiba, Japonsko) a CO2 (Hartmann & Braun, Německo) nedisperzními infračervenými (NDIR) analyzátory, NOx mokrým chemiluminiscenčním analyzátorem při 55ºC (Emerson Process, USA) a suchým chemiluminiscenčním analyzátorem (Horiba, Japonsko). Emise pevných částic byly měřeny gravimetrickou metodou s využitím tunelu pro ředění části vzorku (Belasch, TUL, Liberec) s ředěním cca 10:1, přičemž pro každý režim byla použita nová dvojice filtrů (PallFlex T60A20, 47 mm průměr, Pall, USA). Hmotnostní tok nasávaného vzduchu byl měřen termickým hmotnostním průtokoměrem (Sierra Instruments, Monterrey, CA, USA). Okamžitá hmotnost nádrže s palivem byla průběžně měřena laboratoními váhami s rozsahem 0-65 kg a s přesností 2 g (Sartorius). Průběhy emisí pevných částic byly dále měřeny s rozlišením 1 s přenosnými zařízeními vlastní výroby autora - semikondenzačním integrujícím nefelometrem na principu dopředného rozptylu laserového paprsku částicemi obsaženými ve vzorku, a měřicí ionizační komorou, jejíž odezva je řádově úměrná celkové délce protékajících částic. Velikostní spektra částic byla měřena klasifikátorem pevných částic na principu elektrostatické mobility (Scanning Mobility Particulate Sizer, TSI, St. Paul, MN, USA), jehož výstup – částice vybrané velikostní kategorie – byl přiveden do kondenzačního čítače částic (CPC, TSI, St. Paul, MN, USA). Na použitý motor se vztahuje osmibodový test ISO-8178 s použitím vah C1 [36]. Protože při provozu na rostlinné oleje jsou problematická především nižší zatížení, byl jako doplňující test vybrán ISO-8178 s použitím vah C2. Tyto testy byly následovně sloučeny do jednoho jedenáctibodového testu, který byl řazen ve sledu uvedeném v Tabulce 2. Tento test byl zpravidla doplněn o další režimy, zejména v oblasti nižších otáček a zatížení, které jsou průběžně specifikovány v textu. V každém režimu motor setrval zpravidla deset minut.

8


Tabulka 2: Modifikovaný test ISO-8178 Režim

1

2

Otáčky [1/min]

3

4

5

6

7

8

2200

Moment [Nm]

330

248

165

Váha ISO 8178 - C1

.15

.15

.15

9

10

1480 83

33

450

338

225

.10

.10

.10

.10

11 780

112

45

0 .15

Výsledky – vybraná měření na motoru Zetor Indikované tlaky ve vybraných stacionárních režimech jsou porovnány na Obr. 2, kde na každém z dílčích grafů jsou vyneseny průběhy tlaků pro naftu a rostlinný olej. Graf vlevo vykazuje dřívější počátek hoření řepkového oleje při 2200 min-1 a 250 Nm, zatímco graf vpravo nahoře vykazuje pozdější počátek hoření řepkového oleje při volnoběhu (deklarovaného výrobcem motoru jako 780 min-1). Pozdější počátky hoření byly pozorovány při volnoběhu při 1000 a 1200 min-1, zatímco dřívější počátky hoření byly pozorovány při 2200 min-1 a všech zatíženích. Při 1200 min-1 a 50 Nm, a při 1480 min-1 a všech zatíženích byly průběhy indikovaných tlaků srovnatelné pro obě paliva; to je znázorněno na Obr. 3. Při nižších otáčkách a nulovém zatížení se průběhy indikovaných tlaků při provozu na řepkový olej s postupem času posouvaly. Již po 5 minutách volnoběhu je patrný pozdější a pomalejší vývin hoření v porovnání se stavem po jedné minutě volnoběhu, jíž předcházel provoz při 1480 min-1 a 45 Nm. Oproti tomu při provozu na naftu je vliv patnáctiminutového volnoběhu daleko méně zřetelný. Při vyšších otáčkách a zatíženích nebyly pozorovány výrazné změny v indikovaných tlacích v přibližně deseti minutách průběhu každého režimu. Vyhodnocený průběh měření indikovaných tlaků a kvalitativní indikace průběhu tlaku ve vstřikovacím potrubí je na Obr. 4 pro režim 1480 min-1 a 112 Nm. Tento režimy byl součástí cyklu uvedeného v Tab. 2. Naměřené hodnoty důležitých veličin a data pro další režimy jsou uvedeny v práci.

Srovnání indikovaných tlaků - volnoběh, 780 ot/min

120

60

100

50

Indikovaný tlak [bar]

Indikovaný tlak [bar]

Srovnání indikovaných tlaků - 2200 ot/min, 250 Nm

80

60

Řepkový olej

40

40

30

Řepkový olej

20

Motorová nafta

Motorová nafta 10

20

0

0 -20

-10

0

10

20

30

Poloha klikového hřídele [stupně za HÚ]

40

-20

-10

0

10

20

30

40

Poloha klikového hřídele [stupně za HÚ]

Obr. 2: Porovnání průběhu indikovaných tlaků – řepkový olej vs. nafta.


9

Vliv řepkového oleje na bod kdy 10% energie v palivu je

Vliv řepkového oleje na bod kdy 50% energie v palivu je

odevzdáno (ve stupních pootočení klikového hřídele)

odevzdáno (ve stupních pootočení klikového hřídele) 500

- 0.2

300

+ 0.0 - 0.1

- 0.4

200 100

+ 0.3 + 0.2

+ 2.1

- 0.4

- 0.2- 0.4

- 0.6

- 0.1

0

- 0.9

Moment [Nm]

- 0.2

400

100 Nm ~ 302 kPa BMEP

- 0.8

400 - 0.7

300

- 0.3 - 0.9

- 0.6

200

- 1.4

- 1.0

100

++ 0.1 0.3

+ 2.0

- 1.1

- 0.8

0

- 1.3

- 1.2

2400

2200

1800

2000

1600

1400

1200

800

1000

600

0

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

800

1000

600

400

0

200

400

-100

-100

200

Moment [Nm]

100 Nm ~ 302 kPa BMEP

500

otáčky [1/min]

otáčky [1/min]

Obr. 3: Rozdíly v časování průběhu hoření – řepkový olej vs. nafta.

Porovnání časování vstřiku paliva a vznícení při 1480 ot/min, 112 Nm (25% zatížení) - řepkový olej vs. nafta 80

tlak v palivovém potrubí [relativní] .

indikovaný tlak ve válci [bar]

70

Kratší doba

Indikovaný tlak

cesty tlakové

řepkový olej

vlny pro

60

řepk. olej

Indikovaný tlak nafta

50 Dřívější vznícení

40

Tlaky

30

Nafta

řepkového oleje

paliva ŘO - vstup

čerpadlo

20 10

RO-Ind RO-Inj-P RO-Inj-I D-Ind D-Inj-P D-Inj-I

vstřikovače

ŘO

Nafta - vstup

čerpadlo

vstřikovače

0

Tlak paliva

-10 -15

-10

-5

0

5

10

15

poloha klikového hřídele, stupně po horní úvrati

Obr. 4: Porovnání časování vstřiku paliva a počátku hoření pro provoz na naftu a na řepkový olej při 1480 min-1 a 112 Nm. Vliv provozu motoru na řepkový olej na emise během všech režimů se stabilizovaným motorem (motor při provozní teplotě, řepkový olej ohřátý na 70ºC nebo více na vstupu do vstřikovacího čerpadla) je znázorněn na obr. 5 pro NOx a na obr. 6 pro částice (PM) měřené gravimetrickou metodou. Zobrazeny jsou vždy rozdíly mezi provozem na řepkový olej a provozem na naftu při stejném režimu. Poloha každé bubliny je dána otáčkami (vodorovná osa) a momentem (svislá osa) motoru, plocha každé bubliny je úměrná relativnímu rozdílu hmotnostních toků emisí (ten je úměrný součinu koncentrace a toku výfukových plynů), numerické hodnoty těchto rozdílů jsou uvedeny vedle bublin. Pro většinu režimů je zobrazeno více výseldků – některé vyjadřují opakování též série měření, v jiných byly ale zvoleny jiné sekvence měření (režimu tedy nepředcházel při všech sériích měření stejný režim), nebo byla odpojena recirkulace výfukových plynů. U každé série měření byla však vždy přísně dodržována tatáž sekvence režimů pro obě paliva.

10


Z obou grafů je zřetelně patrná bifurkace vlivů do dvou oblastí. Při 1480 min-1 a zatíženích 225 Nm a vyšších, a při 2200 min-1, dochází ke snížení emisí PM, přičemž mírně narůstají emise NOx. Oproti tomu při 1480 min-1, 112 Nm a při otáčkách 1240 min-1 a nižších výrazně narůstají emise PM, zatímco emise NOx mírně klesají. U emisí HC a CO byly pozorovány podobné trendy jako u emisí PM. Z porovnání absolutních hodnot emisí na obr. 7. vyplývá, že emise PM (vyjádřené jako hmotnostní tok za jednotku času) jsou při provozu na rostlinný olej relativně konstantní – řádově stejná množství jsou produkována za velmi nízkých i za vysokých zatíženích.

plocha bublin

600

točivý moment [Nm]

500 400

úměrná rozdílu plné bubliny - zvýšení

+24%

duté bubliny - snížení

300 200

-16% -23%

100

-25%

-5%

-44% 0 -11% -100 600

-26% -19% 800

1000

NOx

+8%

řepk. olej vs. nafta

-16%

-20% -30%

1200

1400

+11%

-44%

+17% +7%

+15% +8%

+10% +16% +10% +7%

+22% +10%

+7% +3% +8% +3% -1% +5% -1% -7% -8%

+15%

+12%

+15% +11%

+12% +13%

-30% otáčky [1/min]

1600

1800 2000 2200 2400

Obr. 5: Vliv provozu na řepkový olej na emise NOx relativně k provozu na naftu. 600

plocha bublin úměrná rozdílu


500 400

řepk. olej vs. nafta plné bubliny - zvýš ení

-27%

duté bubliny - snížení

-46%

300 200 100

+308%

-100

+370% +63% +288% +802% +990%

+77% +822%

600

800

-38% -35%

+26% +92% +21%

+1311%

0

-33%

-45% -49% -52%

+152%

+362%

PM (gravimetricky)

-67% -53%

-44% -17% otáčky [1/min]

1000

1200

1400

1600

1800

2000 2200 2400

Obr. 6: Vliv provozu na řepkový olej na emise PM relativně k provozu na naftu.


11

Emise PM - motor Zetor 1505 - řepkový olej

Emise PM - motor Zetor 1505 - nafta 600

(plocha bubliny úměrná emisím v g-h)

(plocha bubliny úměrná emisím v g-h) 600 500 točivý moment [Nm]


500 400 300 200 100 0 600

400 300 200 100

900

1200 1500 1800 otáčky motoru [1/ min]

2100

0 600

2400

900

1200 1500 1800 otáčky motoru [1/ min]

2100

2400

Obr. 7: Emise PM při provozu na naftu (vlevo) a řepkový olej (vpravo). Plocha bubliny je úměrná toku emisí PM v gramech za hodinu. Z výsledků je dále patrné, že emise částic v těchto málo zatížených režimech poměrně silně závisí, při provozu na rostlinný olej, na předchozím režimu. To je znázorněno na obr. 8. Závislost emisí částic na předchozím režimu při provozu na naftu je též patrná a významná, ale je nižší než při provozu na olej. Emise částic se s průběhem režimu rovněž značně dynamicky mění. Pro tyto účely byly nasazeny dvě zařízení umožňující měření částic v reálném čase, která byla již popsána jako součást experimentální aparatury. Po startu v cca 9:45 byl motor zahřát, v cca 11:30 byl zahájen čtrnáctibodový test na ohřátý rostlinný olej, v cca 15:10 následoval tentýž test na naftu, poté byla v cca 17:30 provedena kontrolní zkouška v režimu vnější otáčkové charakteristiky. Průběhy emisí částic jsou zobrazeny, spolu s průběhy otáček a točivého momentu, na obr. 9. Dynamické změny v emisích částic jsou podstatné, dále je však patrné, že tyto dynamické změny mají trend přibližování k ustálené limitní hodnotě, která může být pro konkrétní režim (a palivo a další podmínky) daná. To lze pozorovat při režimu 1480 min-1 a 112 Nm, který se opakoval v této sekvenci v 12:45 a v 13:45. Toto přibližování je ale relativně pomalé, s dosažením ustáleného stavu po řádově desítkách minut provozu.

Vliv předchozích režimů na emise PM

ol ej nafta

vol noběh po 1480/ 113 vol noběh po 1480/ 45 1480/ 113 po vyšším zatížení 1480/ 113 po ni žším zatížení 1480/ 45 po vyšším zatížení 1480/ 45 po ni žším zatížení 1240/ 100 po vyšším zatížení 1240/ 100 po ni žším zatížení emise PM [g/ h] (grav.)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Obr. 8: Vliv předchozích režimů na emise částic.

12


Dynamika emisí PM - Zetor 1505

44

2200

PM - Ionizační komora PM - Nefelometr Točivý moment Otáčky

40 36

2000 1800

17:30:00

0

17:00:00

0

16:30:00

200 16:00:00

400

4 15:30:00

600

8

15:00:00

12

14:30:00

800

14:00:00

1000

16

13:30:00

1200

20

13:00:00

24

12:30:00

1400

12:00:00

1600

28

11:30:00

32

11:00:00

emise PM [g/h]

2400

otáčky [1/min], moment [Nm]

48

Obr. 9: Dynamické průběhy provozních parametrů a emisí částic, motor Zetor 1505. 1,0E+07

1,0E+07

785/16 +EGR-nafta

Olej

789/16 +EGR-nafta 793/9 +EGR-olej 781/12 +EGR-olej

1,0E+06

Olej 1,0E+05

1475/517 noEGR-nafta 1,0E+04

1482/519 noEGR-nafta

počet částic dN/dlogDp [1/cm3]

počet částic dN/dlogDp [1/cm3]

Nafta

777/10 +EGR-olej

1,0E+06

1,0E+05

Nafta

1,0E+04

1479/469 +EGR-olej 1471/469 +EGR-olej 1480/476 +EGR-olej

1,0E+03

1,0E+03 10

100 ekvivalentní aerodynamický průměr [nm]

1000

10

100

1000

ekvivalentní aerodynamický průměr [nm]

Obr. 10: Velikostní spektra pevných částic při 1480 min-1 při plném zatížení (vlevo) a volnoběhu (vpravo) zatížení při provozu na ohřátý rostlinný olej a na naftu.

Na obr. 10 jsou vyneseny spektra pro 1480 min-1 a plné zatížení (519 Nm na naftu a 476 Nm na rostlinný olej, graf vlevo) a pro volnoběh (vpravo). Při plném zatížení byl dominantní akumulační mód částic o velikostech řádově 100 nm, přičemž počty částic napříč celým spektrem byly nižší pro rostlinný olej než pro naftu. Při volnoběhu byly koncentrace částic při provozu na rostlinný olej výrazně vyšší než při provozu na naftu, a to až o dva řády. Podle celkového počtu částic byly nejvíce zastoupené částice o velikosti 60-70 nm, oproti 100 nm při provozu na naftu. Celkový souhrn provedených měření Klíčová část práce je založena na experimentálních laboratorních měřeních na čtyřválcovém přeplňovaném traktorovém motoru Zetor 1505 s řadovým mechanicky řízeným vstřikovacím čerpadlem Motorpal. Další měření byla provedena v laboratoři na silničním motoru Avia, a na několika osobních a jednom nákladním vozidle.


13

Všechny motory byly provozovány s přídatným vyhřívaným různopalivovým systémem, a byly (s výjimkami za účelem měření) startovány, zahřívány a odstavovány na naftu, v ostatních režimech pak byly střídavě provozovány na naftu a na ohřáté rostlinné oleje. V motorech Zetor a Avia byl použit řepkový olej palivové kvality, v ostatních motorech pak převážně filtrovaný, dekantovaný použitý fritovací olej. U motoru Zetor výkon poklesl cca o 10%, u motoru Avia se výkon mírně zvýšil. U ostatních motorů nebyl vliv na výkon motoru sledován. Z měření na motorech Zetor a Avia vyplývá, že při provozu při nízkých otáčkách a zatíženích dochází ke vznícení řepkového oleje až o jednotky stupňů pootočení klikového hřídele později ve srovnání s naftou; s průběhem provozu na volnoběh se toto zpoždění dále zvyšuje. Vyšší zpoždění bylo pozorováno i při provozu na studený olej (do 50-55 °C). V ostatních režimech docházelo ke vznícení ve srovnatelnou dobu (Avia) nebo o desetiny stupně dříve (Zetor). Na ostatních motorech nebyly indikované tlaky měřeny. Při provozu při nízkých otáčkách a zatíženích byly výrazně (až o řád) vyšší emise PM a HC a vyšší emise CO, emise NOx pak byly o nízké desítky procent nižší. Při středních a vyšších otáčkách a zatíženích byly na motorech Zetor a Avia výrazně nižší emise HC, CO a PM; na ostatních motorech pak nižší emise PM, přičemž vliv na emise HC a CO nebyl měřen nebo byl nejednoznačný. Emise NOx byly při středních a vyšších otáčkách a zatíženích vyšší na motoru Zetor s klasickým řadovým vstřikovacím čerpadlem, nižší na motorech Avia a Volkswagen s rotačními vstřikovacími čerpadly a přímým vstřikem, a nižší na motoru Ford s jednotkovými vstřikovači. Lze se domnívat, že vliv na emise NOx je dán rozdíly v počátku vstřiku paliva vlivem odlišné dynamiky rostlinného oleje ve vstřikovacím systému ve srovnání s naftou. Emise byly silně ovlivněny předchozími režimy, zejména emise částic, kde ustáleného stavu nebylo při provozu na rostlinný olej často dosaženo ani po deseti minutách. Měření velikostních spekter částic na motoru Zetor klasifikátorem SMPS a čítačem CPC potvrzují výrazně vyšší zastoupení částic o velikosti řádově desítek nm při nižších otáčkách a při nižších a středních otáčkách a nízkých zatíženích, a to až o dva řády v porovnání s provozem na naftu. Při středních a vyšších otáčkách a vyšších zatíženích byly koncentrace částic všech velikostí nižší. Měření neregulovaných plynných emisí spektrometrem FTIR poukázala na vyšší podíl NO2 v NOx, a relativně vyšší zastoupení formaldehydu a etylenu v organických látkách; naopak nebyly naměřeny významné koncentrace akroleinu, 1,3-butadien a aromatických látek. Emise skleníkových plynů oxidu dusného (N2O) byly vyšší než při provozu na naftu ale nevýznamné (jednotky ppm), emise metanu (CH4) byly zanedbatelné. Měřením účinnosti oxidačního katalyzátoru na automobilech Volkswagen byla zjištěna vyšší účinnost oxidačního katalyzátoru při likvidaci částic (20-30%) ve srovnání s naftou (1020%). Všechna popsaná měření a jejich výsledky jsou podrobně popsána v práci a jejích přílohách. Diskuze Hlavním pozorovaným jevem bylo rozdělení vlivu provozu rostlinného oleje na emise na dvě oblasti. V oblasti středních a vyšších otáček a zatížení, při 1480 min-1, 225 Nm a výše, a při 2200 min-1 a všech zatíženích, byly emise částic řádově o desítky procent nižší, a emise NOx řádově o deset procent vyšší, při provozu na rostlinný olej než při provozu na naftu. Nižší emise částic mají pravděpodobně příčinu ve složení paliva – rostlinné oleje jsou kyslíkaté palivo, a neobsahují aromatické uhlovodíky. Vyšší emise NOx mají pravděpodobně příčinu v posunu časování dodávky

14


paliva. Ten je způsoben vyšší rychlostí zvuku v rostlinném oleji než v naftě (viz. Tabulka 1). Proto při stejném nastavení počátku vstřiku na čerpadle dorazí tlaková vlna do vstřikovače při použití rostlinného oleje dříve – při délce vysokotlakého vstřikovacího potrubí 65 cm jsou to řádově desetiny stupně pootočení klikového hřídele. Stejnému mechanismu jsou připisovány i navýšení emisí NOx při provozu na bionaftu [37]. Vliv rozdílných rychlostí zvuku se oproti tomu téměř neprojevuje při použití jednotkových vstřikovačů nebo systému Common Rail. V druhé oblasti, při 1480 min-1 a 112 Nm, a při nižších otáčkách a zatíženích, byly emise částic až o řád vyšší než při provozu na naftu. V absolutním měřítku pak byly emise částic (množství za časovou jednotku) srovnatelné s emisemi při vyšších zatíženích. Emise NOx byly při těchto režimech nižší. Pravděpodobným vysvětlením je zde nepříznivý průběh hoření paliva. Rostlinný olej má výrazně vyšší viskozitu než nafta, což platí i pro ohřátý rostlinný olej v porovnání s běžnými provozními teplotami nafty. Proto lze očekávat rozpad paprsku paliva na větší kapičky než při provozu na naftu. Na druhou stranu u klasických mechanických vstřikovacích čerpadel vyšší viskozita vede k vyšším vstřikovacím tlakům, což vede k jemnějšímu rozprášení paprsku. Rozprášené kapičky paliva se po vstřiku do spalovacího prostoru ohřívají a následně odpařují. Rostlinný olej začíná destilovat až při řádově 300 ºC, pokud lze o destilaci hovořit, protože dochází spíše k jeho rozkladu. K varu některých složek nafty oproti tomu dochází již při teplotách 150-200 ºC [2]. Při provozu na rostlinný olej dochází tedy k odpaření paliva později – k tomu přispívá i zmíněná vyšší viskozita. Hoření směsi ve vznětových motorech není zpravidla omezeno rychlostí tvorby par paliva, ale rychlostí mísení par paliva se vzduchem [38]. To však může platit jen do určitého mezního bodu nebo mezní oblasti – do dosažení této meze dosažení nemá horší odpařitelnost paliva vliv, zatímco po jejím překročení se stává dominantním faktorem ovlivňujícím průběh spalování a emise. Další problematickou oblastí jsou mezní vrstvy u povrchu spalovacího prostoru, zejména mezera mezi pístem a stěnou válce mezi korunou pístu a prvním pístním kroužkem. Tam u nízkých zatížení může docházet k ulpívání rostlinného oleje nebo produktů jeho rozkladu na povrchu spalovacího prostoru. To se projeví nejen zvýšenými emisemi, ale i tvorbou úsad a pronikáním rostlinného oleje kolem pístních kroužků do mazacího oleje. Z hlediska průběhu spalování tedy proti sobě působí několik jevů s protikladnými účinky: vyšší rychlost zvuku v oleji (dřívější vstřik paliva), vyšší viskozita oleje (větší kapičky, ale zároveň i vyšší vstřikovací tlaky, což velikost kapiček snižuje), horší odpařitelnost oleje (pomalejší tvorba par, což ale nemusí být důležité pokud je rychlost hoření omezena rychlostí mísení vzduchu a par paliva a tvorby přibližně stechiometrické směsi), může být i delší průtah vznícení a tím i pozdější počátek hoření (proti kterému působí dřívější vstřik paliva, který vede k dřívějšímu počátku hoření), absence aromatických látek a obsah kyslíku v rostlinných olejích (které vedou k nižší tvorbě částic, zejména při provozu motoru s malými přebytky vzduchu). Výsledný efekt je tedy poměrně složitou souhrou popsaných jevů, čímž vzniká složitý nelineární dynamický systém. Tím lze i vysvětlit poměrně silné rozdělení vlivů v závislosti na otáčkách a zatížení motoru. Otázkou je, zda nepříznivé spalování za nízkých zatížení lze řešit konstrukcí, úpravou, nebo seřízením motoru. Při využití rostlinných olejů ve stávajících, zejména starších motorech, je ale pravděpodobnější způsob řešení takové motory v nepříznivých podmínkách na rostlinný olej neprovozovat. V tom případě je pro praktické využití nutné uvážit, kde se pro daný motor nalézá hranice oblasti s nepříznivým průběhem spalování, a nakolik je konkrétní motor v této oblasti provozován. Z hlediska dopadu na emise se použití olejů jeví jako nevýhodné například pro krátké pojezdy, jízdu v hustém městském provozu, městské autobusy nebo posunovací lokomotivy. Vhodnější využití je naopak například pro dálkové autobusy a nákladní automobily, rychlíkové lokomotivy, traktory pro orbu a těžší práce, nebo kogenerační jednotky.


15

Lze se domnívat, že režimy s neúměrně vyššími emisemi PM a HC vedou též k neúměrně vyšší míře pronikání rostlinného oleje do motorového mazacího oleje a k neúměrně vyšší tvorbě úsad ve spalovacím prostoru a výfukovém systému. Ošetřením těchto režimů by se pak výrazně snížily nejen emise, ale i tvorba úsad a degradace mazacího oleje. Celkově z výsledků vyplývá silné rozdělení vlivu rostlinného oleje jako paliva na hoření a emise podle otáček a zatížení motoru. Při posuzování vlivu rostlinného oleje na emise nebo při posuzování vhodnosti provozu daného motoru v dané aplikaci na rostlinný olej je tedy třeba uvážit charakter motoru a provozních podmínek konkrétních vozidel nebo strojů. Vzhledem k nutnosti startovat a zahřívat motor na naftu a vzhledem k problematickému spalování i emisím při nízkých otáčkách a zatíženích nelze, bez vhodného ošetření, rostlinné oleje doporučit pro motory často startované a provozované v nízkých zatíženích (např. městské autobusy, rozvoz zboží po městě, manipulační technika, posunovací lokomotivy). Relativně méně problematické, a z hlediska emisí výhodné, se pak jeví dlouhodobý provoz při středních až vyšších zatíženích (dálkové autobusy a kamiony, rychlíkové lokomotivy, traktory při orbě, kogenerační jednotky). Rostlinný olej má relativně příznivou energetickou bilanci a nízké emise skleníkových plynů; jeho využití bude pravděpodobně omezeno zejména dostupností zemědělské půdy pro nepotravinářské účely. Podrobnější rozbor složitých environmentálních, sociálních, politických, ekonomických, národně-bezpečnostních, a dalších hledisek využití možných paliv je však nad rámec této práce. Závěry a souhrn Práce se zabývá vlivem provozu a provozních podmínek vznětových motorů na rostlinné oleje na průběh hoření a na výfukové emise. Práce uvažuje stávající vznětové motory bez konstrukčních úprav, dovybavené sekundárním palivovým systémem s přepínáním paliv (různopalivový systém), který je vyhřívaný chladicí kapalinou. Motory jsou startovány a ohřáty na naftu, poté provozovány na ohřátý rostlinný olej, a před odstavením přepnuty zpět na naftu. Klíčová část práce je založena na měřeních na čtyřválcovém přeplňovaném traktorovém motoru Zetor 1505 s řadovým mechanicky řízeným vstřikovacím čerpadlem. Další měření byla provedena v laboratoři na silničním motoru Avia, a na několika osobních vozidlech Volkswagen a jednom nákladním vozidle Ford. V motorech Zetor a Avia byl použit řepkový olej palivové kvality, v ostatních motorech pak převážně filtrovaný, dekantovaný použitý fritovací olej. U motoru Zetor výkon poklesl cca o 10%, u motoru Avia se výkon mírně zvýšil. U ostatních motorů nebyl výkon motoru sledován. Celková účinnost motoru zůstala bez výrazných změn. Z měření na motorech Zetor a Avia vyplývá, že při provozu při nízkých otáčkách a zatíženích dochází ke vznícení řepkového oleje až o jednotky stupňů pootočení klikového hřídele později ve srovnání s naftou; s průběhem provozu na volnoběh se toto zpoždění dále zvyšuje. Vyšší zpoždění bylo pozorováno i při provozu na studený olej (do 50-55 °C). V ostatních režimech docházelo ke vznícení ve srovnatelnou dobu (Avia) nebo o desetiny stupně dříve (Zetor). Při nízkých otáčkách a zatíženích byly výrazně (až o řád) vyšší emise PM a HC a vyšší emise CO, emise NOx pak byly o nízké desítky procent nižší. Při středních a vyšších otáčkách a zatíženích byly na motorech Zetor a Avia výrazně nižší emise HC, CO a PM; na ostatních motorech pak nižší emise PM, vliv na emise HC a CO nebyl měřen nebo byl nejednoznačný. Emise NOx byly při středních a vyšších otáčkách a zatíženích vyšší na motoru Zetor s klasickým řadovým vstřikovacím čerpadlem, nižší na motorech Avia a Volkswagen s rotačními vstřikovacími čerpadly, a nižší na motoru Ford s jednotkovými vstřikovači. Lze se domnívat, že k vlivu na emise NOx významně přispívají rozdíly v počátku vstřiku paliva vlivem odlišné dynamiky rostlinného oleje v palivovém systému. Emise byly silně ovlivněny předchozími režimy, zejména emise částic, kde ustáleného stavu nebylo často dosaženo ani po deseti minutách. Měření velikostních spekter částic na motoru Zetor potvrzují výrazně vyšší zastoupení částic o velikosti řádově desítek nm při nižších otáčkách a při nižších a středních otáčkách a

16


nízkých zatíženích. Při středních a vyšších otáčkách a vyšších zatíženích byly koncentrace částic všech velikostí nižší. Měření neregulovaných plynných emisí spektrometrem FTIR poukázala na vyšší podíl NO2 v NOx, a relativně vyšší zastoupení formaldehydu a etylenu v organických látkách. Měřením účinnosti oxidačního katalyzátoru na automobilech Volkswagen byla zjištěna vyšší účinnost oxidačního katalyzátoru při likvidaci částic (20-30%) ve srovnání s naftou (10-20%). Lze se domnívat že režimy s neúměrně vyššími emisemi PM a HC vedou též k neúměrně vyšší míře pronikání rostlinného oleje do motorového mazacího oleje a k neúměrně vyšší tvorbě úsad ve spalovacím prostoru a výfukovém systému. Ošetřením těchto režimů by se pak výrazně snížily nejen emise, ale i tvorba úsad a degradace mazacího oleje. Celkově z výsledků vyplývá silné rozdělení vlivu rostlinného oleje jako paliva na hoření a emise podle otáček a zatížení motoru. Při posuzování vlivu rostlinného oleje na emise nebo při posuzování vhodnosti provozu daného motoru v dané aplikaci na rostlinný olej je tedy třeba uvážit charakter motoru a provozních podmínek konkrétních vozidel nebo strojů. Vzhledem k nutnosti startovat a zahřívat motor na naftu a vzhledem k problematickému spalování i emisím při nízkých otáčkách a zatíženích nelze, bez vhodného ošetření, rostlinné oleje doporučit pro motory často startované a provozované v nízkých zatíženích. Relativně méně problematické, a z hlediska emisí výhodné, se pak jeví dlouhodobý provoz při středních až vyšších zatíženích. Rostlinný olej má velmi příznivou energetickou bilanci a lze jej získat z místních obnovitelných zdrojů; ačkoliv nenahradí současnou spotřebu ropy, může hrát významnou roli v systému udržitelné dopravy a energetiky. Podrobnější rozbor širších souvislostí je však nad rámec této práce. Poděkování Experimentální práce na motoru Zetor byly financovány grantovým úkolem Optimalizace spalování rostlinných olejů ve vznětových motorech (Grantová agentura ČR, GA101/08/1717). Motor Zetor 1505 byl zapůjčen pro účely projektu Výzkumným ústavem traktorů (VÚTR) v Brně. Úplné poděkování je uvedeno v práci.


17

Publikace autora tématicky související s doktorskou disertační prací •

Vojtíšek-Lom, M.; Wilson, P.J.: Real-world Emissions From Private Diesel Passenger Vehicles Running On Unrefined Waste Vegetable Oil. Sborník konference 14th CRC On-road vehicle emissions workshop, San Diego, California, USA, 2004.

•

Vojtíšek-Lom, M. - Lanni, T. R.: Real-time, on-road Measurements of Diesel Exhaust Aftertreatment Device PM Removal Efficiency. In: 11th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles. ETH, Swiss Federal Institute of Technology. Zurich, Switzerland, 12-15 August 2007.

•

Vojtíšek-Lom, M.: Time-resolved Emissions Characteristics of Modern Passenger Vehicle Diesel Engines Powered by Heated Vegetable Oil. SAE Technical Paper 2007-24-0129. Society of Automotive Engineers, Warrensdale, Pennsylvania, USA, 2007.

•

Blažek, J., Vojtíšek-Lom, M.: Experimental Investigation Of The Combustion Of Vegetable Oils In Diesel Engine At Low Engine Loads. In: 33 rd International Scienfic Congress on Poewrtrain and Transport Means European KONES 2007. Polska Akademia Nauk. Warsaw, Poland, 9-12 September 2007. Journal of KONES, ISSN 1231-4005, vol. 14, no. 3, 2007, p. 361-372.

•

Vojtíšek, M.: Přímé využití rostlinného oleje jako paliva z hlediska motoru, emisí, zemědělství, místní ekonomiky, životního prostředí, a udržitelnosti. In: 8. vědecká mezinárodní konference „Přírodní zdroje, doprava, energetika a udržitelný hospodářský růst“. 16 str. Ústav ekonomiky a managementu dopravy a telekomunikací, FD ČVUT Praha, Praha 2008, ISBN 978-80-01-04053-9.

•

Vojtíšek M., Blažek J.: Combustion of heated vegetable oil in modern turbodiesel engines: Ignition delay and emissions as a function of injection timing and engine load. In: Advances in Automotive Engineering. Volume I. s. 102-111. Brno 2008. ISBN 978-80-7399-496-9.

•

Vojtíšek, M. – Blažek, J. - Moc, L. - Mareš, J. - Pechout, M. – Hlavenka, T.: Effect Of Operating Conditions On The Effect Of Vegetable Oil As Diesel Engine Fuel On Exhaust Emissions Of Fine Particulate Matter. Sborník výroční konference České aerosolové společnosti, pp. 71-72, Praha, prosinec 2008, ISBN 978-80-86186-17-7.

•

Vojtíšek, M.: Vliv provozu vznětového motoru na ohřátý rostlinný olej na výfukové emise. Konference Studentské vědecké odborné činnosti, Technická univerzita v Liberci, 27. května 2009.

•

Vojtíšek-Lom, M.; Pechout, M.; Blažek, J.; Moc, L.; Hlavenka, T.: Effects of Current and Prior Operating Conditions on Particulate Matter Emissions from a Diesel Engine Operated on Heated Rapeseed Oil. SAE Technical Paper 2009-01-1913. Society of Automotive Engineers, Warrensdale, PA, USA, 2009.

•

Vojtíšek-Lom, M.; Blažek, J.; Dufek, M.; Fenkl, M.: Investigation of Combustion Rates and Injection and Ignition Onset of Heated Rapeseed Oil in Direct-Injection Turbodiesel Engines. SAE Technical Paper 2009-01-1914. Society of Automotive Engineers, Warrensdale, PA, USA, 2009.

•

Vojtíšek-Lom, M.; Fenkl, M.; Mareš, J.; Pechout, M.: Diesel particulate trap regeneration on a turbodiesel engine powered by heated rapeseed oil. Sborník 13th ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, Švýcarsko, 22.-24.6.2009.

•

Vojtíšek, M.: Zařízení k přivádění paliva u dvojpalivového systému spalovacího vznětového motoru. Užitný vzor 19766, přihláška 2009-21173, zapsán 22.6.2009.

•

Hlavenka, T. – Vojtíšek, M. – Čupera, J. – Fajman, M.: Výkonové a emisní parametry moderních vznětových motorů dlouhodobě provozovaných na rostlinný olej. Přijato k publikaci ve sborníku KOKA 2009, XL. Medzinárodná vedecká konferencia českých a slovenských univerzít, katedier a inštitúcií zaoberajúcich sa výskumom spaľovacích motorov, Nitra, 7.-8.9.2009.

•

Vojtíšek-Lom, M. ; Blažek, J.; Fenkl, M.; Pechout, M.: Enhancement of Combustion of Vegetable Oil in Diesel Engines at Low Loads with Hydrogen. SAE Technical Paper 2009-24-0047. Society of Automotive Engineers, Warrensdale, PA, USA, 2009.

18


Literatura citovaná v tezích (Úplný seznam literatury je uveden v práci) 1.

Matějovský, V.: Automobilová paliva. Grada Publishing, Praha, 2005, str. 36.

2.

Matějovský, V.: Combustion of pure plant oils in diesel and spark ignition engines. Proceedings of the 8th International symposium Motor Fuels, Tatranske Matliare, Slovensko, 2008.

3.

Knothe, G.: Some aspects of biodiesel oxidative stability. Fuel Processing Technology 88, 2007, str. 669-677.

4.

Jones, S.; Peterson, C.L.: Using Unmodified Vegetable Oils as a Diesel Fuel Extender – A Literature Review. University of Idaho, Moscow, Idaho, USA, 2002.

5.

Knothe, G.: Historical perspectives on vegetable oil based fuels. Inform, vol. 12, no. 11, 2001, 1103.

6.

EMA 2006: Use of Raw Vegetable Oil or Animal Fats in Diesel Engines. Engine Manufacturers Association, Chicago, Illinois, USA, 2006.

7.

Hawkins, C.S.; Fuls, J.; and F.J.C. Hugo. Engine Durability Tests with Sunflower Oil in an Indirect Injection Diesel Engine. SAE Paper 831357 Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA, USA, 1983.

8.

Biofuels library. Journey to Forever, Missouri, USA. www.journeytoforever.org/biofuel_library.html.

9.

Webové stránky firmy Elsbett, Německo, www.elsbett.de.

10. Webové stránky firmy Greasecar, Northampton, Massachusetts, USA, www.greasecar.com. 11. Bari, S.; Lim, T.H.; Yu, C.W.: Effects of preheating of crude palm oil (CPO) on injection system, performance and emission of a diesel engine. Renewable Energy 27 (2002) 339–351. 12. Nwafor, O.M.I.: Emission characteristics of diesel engine running on vegetable oil with elevated fuel inlet temperature. Biomass and Bioenergy 27 (2004) 507 – 511. 13. Labeckas, G.; Slavinskas, S.: Performance of direct-injection off-road diesel engine on rapeseed oil. Renewable Energy, vol. 31, no. 6, 2006, p. 849-863. 14. Ramadhas, A.S.; Jayaraj, S.; C. Muraleedharan, C.: Use ofvegetable oils as I.C. engine fuels—A review. Renewable Energy 29 (2004) 727–742. 15. Weihenstephan standard. Qualitatsstandard fur Rapsol als Kraftstoff (RK-Qualitatsstandard). LTVArbeitskreis Dezentrale Pflanzenolgewinnung, Weihenstephan, Německo, 2000. http://www.elsbett.com/fileadmin/elsbett/archiv/de/weihenstephan.pdf, http://journeytoforever.org/biodiesel_svostd.html 16. Tat, M.E., et al.: The speed of sound and isentropic bulk modulus of biodiesel at 21 degrees C from atmospheric pressure to 35 MPa. Journal of the American Oil Chemists Society, vol. 77, 2000, 285– 289. 17. Coupland, J.N.; McClements, D.J.: Physical Properties of Liquid Edible Oils. Journal of the Americal Oil Chemists Society, 74, 1997, 1559-1564. 18. Coelho, S.T., et al.: The Use of Palm Oil for Electricity Generation in the Amazon Region. RIO 5 - World Climate & Energy Event, 15-17 February 2005, Rio de Janeiro, Brazil. 19. Prateepchaikul, G.; Apichato, T.: Palm Oil as a Fuel for Agricultural Diesel Engines: Comparative Testing against Diesel Oil. Songklanakarin Journal of Science and Technology Vol.25 No.3 May-June 2003. 20. Machacon, H.T.C.; Shiga, S.; Karasawa, T.; Nakamura, H.: Performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with coconut oil-diesel fuel blend. Biomass and Bioenergy, 20, 2001, 63-69. 21. Altun, S.; Bulut, H.; Oner, C.: The comparison of engine performance and exhaust emission characteristics of sesame oil–diesel fuel mixture with diesel fuel in a direct injection diesel engine. Renewable Energy, vol. 33, no. 8, 2008, 1791-1795. 22. Reddy, J.N.; Ramesh, A.: Parametric studies for improving the performance of a Jatropha oil-fuelled compression ignition engine. Renewable Energy 31 (2006) 1994–2016. 23. Carranca, J.N.: Green Power From Diesel Engines Burning Biological Oils and Recycled Fat. Proceedings of the Rio 5 – World Climate & Energy International Congress, Rio de Janeiro, Brazil, February 17th 2005.


19

24. Vojtíšek-Lom, M.: Time-resolved Emissions Characteristics of Modern Passenger Vehicle Diesel Engines Powered by Heated Vegetable Oil. SAE Technical Paper 2007-24-0129. Society of Automotive Engineers, Warrensdale, Pennsylvania, USA, 2007. 25. Beller, P.C.: Fill 'Er Up With Human Fat. Forbes magazine, December 22, 2008. 26. Pugazhvadivu, M.; Jeyachandran, K.: Investigations on the performance and exhaust emissions of a diesel engine using preheated waste frying oil as fuel. Renewable Energy 30 (2005) 2189–2202. 27. Czerwinski, J.; Zimmerli Y.; Kasper, M.; Meyer, M.: A Modern HD-Diesel Engine with Rapeseed Oil, DPF and SCR. SAE paper 2008-01-1382, 2008. 28. Krahl, J., et al.: Utilization of rapeseed oil, rapeseed oil methyl ester or diesel fuel: Exhaust gas emissions and estimation of environmental effects. SAE Technical paper 962096, Society of Automotive Engineers, Warrensdale, Pennsylvania, USA, 1996. 29. Lauer, P.: New findings on PM emission and composition for medium speed 4-stroke marine Diesel engines operating on Bio-Fuel. Proceedings of the 10th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, Switzerland, August 2006. 30. Ammerer, A.; Rathbauer, J.; Worgetter, M.: Rapeseed Oil as Fuel for Farm Tractors. Prepared by BLT Wieselburg, Austria, for IEA Bioenergy Task 39, Subtask “Biodiesel”, 2003. 31. Lance, D.; Andersson, J.: Emissions Performance of Pure Vegetable Oil in Two European Light Duty Vehicles. Society of Automotive Engineers, Warrensdale, Pennsylvania, USA, paper no. 2004-01-1881, 2004. 32. Dorn, B.; Wehmann, C.; Winterhalter, R.; Zahoransky, R.: Particle and Gaseous Emissions of Diesel Engines Fuelled by Different Non-Esterified Plant Oils. Society of Automotive Engineers, Warrensdale, Pennsylvania, USA, paper no. 2007-24-0127, 2007. 33. Laurin, J.: Vegetable oil-based engine fuels. Proceedings of the 8th International symposium Motor Fuels 2008, Tatranske Matliare, Slovakia, 2008. 34. Bunger, J., et al.: Strong mutagenic effects of diesel engine emissions using vegetable oil as fuel. Arch Toxicol (2007) 81:599–603. 35. EHK R-49: Předpis č. 49 Evropské hospodářské komise Organizace spojených národů (EHK/OSN) – Emise vznětových motorů a zážehových motorů (poháněných zemním plynem a zkapalněným ropným plynem), revize 5. Úřední věstník Evropské unie, L103/1, 12.4.2008. 36. ES 97/68/ES, 2004/26/ES: Směrnice evropského parlamentu ze dne 16. prosince 1997 o sbližování právních předpisů členských států týkajících se opatření proti emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze spalovacích motorů určených pro nesilniční pojízdné stroje, Směrnice evropského parlamentu a rady 2004/26/ES ze dne 21. dubna 2004, kterou se mění směrnice 97/68/ES o sbližování právních předpisů členských států týkajících se opatření proti emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze spalovacích motorů určených pro nesilniční pojízdné stroje. 37. Szybist, J.P.; Song, J.; Alam, M.; Boehman, A.L.: Biodiesel combustion, emissions and emission control. Fuel Processing Technology, vol. 88, no. 7, 2007, 679-691. 38. Heywood, J.B.: Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, USA, 1988.

20


Vliv provozních podmínek na spalování rostlinných olejů ve stávajících vznětových motorech a na výfukové emise

Recommend Documents